1.1 UMTS長期演進的背景

1.1.1 歷史背景

陸地通訊系統，最早始於1947年，當時美國貝爾實驗室（BellLabs）提出了小區的概念。使用小區使得行動通訊網路的容量大大增加，將覆蓋區域劃分為小小區，每個小區都有自己的基站在不同的頻率上工作。早期的系統限於不同的國家。他們只吸引了少數使用者，因為他們所依賴的裝置昂貴、笨重和耗電，因此只在汽車中真正實用。

最早出現大規模商業增長的移動通訊系統始於20世紀80年代，被稱為“第一代”系統。第一代使用模擬技術，幷包括許多在世界各地獨立開發的系統（例如。AMPS (模擬行動電話系統，用於美國）、TACS（全接入通訊系統，用於歐洲部分地區）、NMT（北歐行動電話，用於歐洲部分地區）和J-TACS（日本全接入通訊系統在日本和香港使用）)。全球漫遊首先成為一種可能性，因為第二代系統GSM （全球移動通訊系統）的開發，它基於數字技術。GSM的成功部分歸功於它開發時的協作精神。通過利用歐洲電信標準協會（ETSI）主持下合作的多家公司的創造性專業知識，GSM成為一種健壯、互操作和廣泛接受的標準。由於移動手機技術的進步，使得小型、時尚的終端具有較長的電池續航時間，GSM標準的廣泛接受超過了最初的預期，並幫助創造了一個巨大的新市場。GSM手機在發達世界的普及程度幾乎為人們提供了前所未有的通訊便利，首先是通過語音和簡訊，後來又通過更先進的資料服務。與此同時，在發展中世界，GSM技術已開始將偏遠地區的社群和個人連線起來，因為那裡沒有固定電話連線，而且部署費用高得令人望而卻步。方便使用者的行動通訊無處不在，加上消費者對這種技術的日益熟悉和實際依賴，從而為具有更先進能力的新系統提供了背景。在下一節中，概述了繼GSM之後的一系列進展，最終發展了被稱為LTE的UMTS系統— —通用移動電信系統（Universal Mobile Telecommunication System）的長期演進。

1.1.2 移動無線電環境中的LTE技術

與使用諸如銅線和光纖等介質的傳輸技術相比，無線電頻譜是不同技術之間共享的介質，而且可能產生干擾。因此，監管機構，特別是ITU-R （國際電信聯盟-無線電通訊部門），而且區域和國家監管機構也在無線電技術的演進中發揮著關鍵作用，因為他們決定了特定型別服務和技術可以利用的頻譜的哪些部分以及頻寬。無線技術系列的標準化促進了這一作用，該過程不僅提供特定的介面，確保來自多個供應商的裝置之間的互操作性，而且旨在確保所分配的頻譜儘可能高效地使用。從而提供有吸引力的使用者體驗和創新的服務。管理當局和標準化組織的互補職能可概括為以下關係：總和資料速率=頻寬(規則和執照) x 頻譜頻寬(技術和標準)。

ITU-R在全球範圍內定義了技術族，並將頻譜的特定部分與這些技術族聯絡起來。在ITU-R的推動下，為符合ITU-R要求的無線電技術確定移動無線電技術頻譜，並將其指定為國際移動電信（IMT）家族成員。實際上， IMT家族包括被稱為“第三代”的移動通訊系統。從技術和標準的角度來看，三個主要組織制定與IMT要求相關的標準，這些組織繼續塑造移動無線電系統的格局，如圖1.1所示。

圖1.1中顯示的最上面的演進軌跡是在第三代合作伙伴計劃（3GPP）中開發的，該計劃是目前移動無線電系統的主要標準開發小組，將在下文中更詳細地描述。在3GPP的演進上，三種多址技術是顯而易見的：第二代GSM/GPRS/EDGE家族基於時分頻多重進接（TDMA/FDMA） ；第三代UMTS家族標誌著分碼多重進接（CDMA）進入3GPP的演進軌道，成為寬頻CDMA或WCDMA；最後，LTE採用了正交頻分複用（OFDM） ，它是主導所有移動無線標準最新演進的接入技術。在繼續從3GPP內的GSM和UMTS技術族的技術進步中，LTE系統可以看作是完成了服務提供從語音呼叫擴充套件到多業務空口的趨勢。這已經是UMTS和GPRS/EDGE的一個關鍵目標，但LTE從一開始就設計目標是在假設所有業務都將是分組交換的假設下，演進無線接入技術，而不是沿用早期系統的電路交換模式。此外，LTE伴隨著整個系統的非無線方面的演進，在術語“系統架構演進”（SAE）下，包括演進分組核心網（EPC）網路。LTE和SAE共同組成了演進分組系統EPS，其中核心網和無線接入都是全分組交換的。LTE和SAE的標準化並不意味著3GPP中其他無線接入技術的進一步發展已經停止。特別是，在3GPP中繼續使用新版本規範對UMTS的增強，同時確保向後相容早期版本：UMTS的最初的R99規範已經進行了擴充套件，並增加了高速下行和上行增強（HSDPA和HSUPA）。R5和R6版本，簡稱為“高速分組接入”，R7版本進一步增強了HSPA，通過更高階的調製方式，在蜂窩通訊系統中，首次採用多流MIMO4操作，而版本8、9和10引入了對下行和上行共同操作的多個5 MHz載波的支援。這些向後相容的增強功能使那些在UMTS的WCDMA技術上投入巨資的網路運營商能夠從新特性中獲得新的收入，同時仍然使用傳統終端為其現有使用者提供服務。LTE的第一個版本是在3GPP協議系列的R8版本釋出的。它能夠受益於HSPA和HSPA+的最新理解和技術發展，特別是在協議棧優化方面，同時可以自由地採用激進的新技術，而不受後向相容性或5 MHz載波頻寬的限制。然而，LTE也必須滿足新的需求，例如在部署頻譜靈活性方面。LTE可以在FDD和TDD模式下執行，同時在統一的框架中也支援TD-SCDMA（時分同步分碼多重進接）的演進，是UMTS技術路線的又一分支，主要面向中國市場。LTE的第二個版本是在R9中開發的，而R10則繼續向前推進，並開始了下一個重要的步驟，稱為LTE-Advanced。

圖1.1所示的第二個演進路線是由一個類似於3GPP的合作伙伴組織領導的，稱為3GPP2。CDMA2000是基於美國IS-95標準開發的，是第一個使用CDMA技術的移動蜂窩通訊系統，主要應用於美國、韓國和日本。3GPP2的標準化程序繼續沿著並行演進的EV-DO，在某種程度上與3GPP的演進方向類似。需要指出的是，LTE將與3GPP2開發的系統緊密對接，使得之前遵循3GPP2軌道的運營商能夠平滑地向LTE遷移。第三條演進路徑來自IEEE 802 LAN/MAN標準委員會，該委員會建立了α802.16系列作為寬頻無線接入標準。這個家族也是完全面向分組的。它通常被稱為WiMAX，基於由802.16標準組裝而成的“系統配置檔案”，並由WiMAX論壇推廣。WiMAX論壇也保證了相應的產品認證。雖然第一個版本（稱為802.16-2004）僅限於固定接入，但以下版本802.16e包含對移動性的基本支援，因此通常被稱為“移動WiMAX”。然而，可以注意到，WiMAX家族通常沒有像3GPP技術家族那樣在設計移動性和與運營商核心網的相容性方面同樣重視，3GPP技術家族除了包括無線接入網演進之外，還包括核心網的演進。然而，IEEE開發的新一代802.16m與第27章中概述的LTE-Advanced目標相似。

總體模式是移動無線電向靈活的、面向分組的多業務系統演進。所有這些系統的目標是提供移動寬頻使用者體驗，可以接近現有的固定接入網路，如ADSL和FTTH。

1.1.3 3GPP的標準化流程

成功構建GSM系統的協作標準化模型，成為UMTS發展的基礎。為了制定真正的全球標準，GSM和UMTS的合作已經擴充套件到超越ETSI的範圍，包括來自日本（ARIB和TTC）、韓國（TTA）、北美（ATIS）和中國（CCSA）的區域標準開發組織。如圖1.2所示。

因此，3GPP誕生了，到2011年，已有380家個人成員公司。成功建立UMTS或LTE這樣龐大而複雜的系統規格，需要一個結構合理、工作流程務實的組織。3GPP分為四個技術規範組（Technical Specification Group, TSG），每個組由多個工作組組成，負責規範的特定方面，如圖1.3所示。

這些工作組工作方法的一個顯著特點是，以協商一致為驅動的決策辦法。所有提交給3GPP的檔案均在3GPP網站上公開發布，包括來自各個公司的貢獻、技術報告和技術規範。在就一項技術達成共識時，工作組考慮了各種因素，包括但不限於效能、實現成本、複雜性和與早期版本或部署的相容性。模擬經常被用來比較不同技術的效能，特別是在以空口物理層和效能要求為重點。這就要求首先就用於比較的模擬假設達成共識，尤其包括理解和定義網路運營商感興趣的情景。2004年11月，在多倫多的一次研討會上啟動了LTE標準化程序。當時，參與行動通訊業務的廣泛公司提出了他們對3GPP標準未來演進的願景。這些遠景包括對需要滿足的要求的初步認識，以及為滿足這些要求而提出適當技術的建議。需求在1.2節中詳細評審，關鍵技術在1.3節中介紹。

1.2 LTE的需求和目標

對新LTE系統的關鍵需求的討論導致在3GPP中建立了一個正式的研究專案，其具體目標是在10年時間內演進3GPP無線接入技術，以確保競爭力。在本研究專案的主持下，對LTE Release 8的要求進行了細化和細化，並於2005年6月定稿，其總結如下：

• 減少連線建立和傳輸時延的時延；
• 提高使用者資料速率；
• 提高小區邊緣位元率，以提供統一的服務；
• 降低每位元成本，意味著提高頻譜效率；
• 在新頻段和現有頻段中，頻譜使用更加靈活；
• 簡化網路架構；
• 無縫移動性，包括不同無線接入技術之間的無縫移動性；
• 移動終端的合理功耗。

還應注意的是，網路運營商對下一代移動系統的要求是由網路運營商下一代行動網路（NGMN）聯盟制定的，為LTE設計開發和評估提供了額外的參考。這些運營商驅動的需求也為LTE-Advanced的發展提供了指導, LTE系統設計包括無線介面和無線網路架構。

1.2.1 系統性能需求

相對於現有系統，系統性能的提升是網路運營商的主要訴求之一，以保證LTE的競爭力，從而引起市場興趣。在本節中，我們將重點介紹LTE需求定義及其效能評估中使用的主要效能指標。表1.1總結了LTE第一個版本的主要效能要求。

許多數字是相對於最先進的UMTS可用版本的效能給出的，在定義LTE要求時，該版本是HSDPA/HSUPA Release 6 （此處稱為參考基線）。可以看出，LTE的目標需求是相對於在LTE第一個版本開發時部署的第三代移動通訊系統提供的容量和使用者體驗而言，邁出了重要的一步。如上所述，HSPA技術也在繼續開發，以提供比參考基線假定更高的頻譜效率。然而，LTE已經能夠避免後向相容性的約束，使高階MIMO方案從一開始就納入系統設計，以及圍繞新的多址方案構建的高度靈活的頻譜使用。表1.1中所列要求將在下文中更詳細地討論和解釋。第26章描述了LTE系統的整體效能如何滿足這些要求。

• 峰值速率和峰值頻譜效率
• 小區吞吐量和頻譜效率
• 語音容量
• 移動性和小區範圍
• 廣播模式效能
• 使用者平面延遲
• 控制平面延遲和容量

1.2.2 部署成本和互操作性

除了系統性能方面，網路運營商還需考慮其他一些問題。其中包括降低部署成本、頻譜靈活性和增強與傳統系統的互操作性— —在各種場景下部署LTE網路並促進向LTE遷移的基本要求。

• 頻譜分配和雙工模式
• 與其他無線接入技術之間的互操作性
• 終端的複雜性和成本
• 網路架構需求

1.3 LTE關鍵技術

由於移動無線電技術的發展，上述廣泛的要求才有可能實現。作為概述，我們在此概述了影響LTE無線介面設計的三種基本技術：多載波技術、多天線技術和在無線介面中的應用。最後，我們總結了不同類別的LTE移動終端在R8和R9中支援的能力組合。

1.3.1 多載波技術

在LTE中採用多載波方法進行多址接入是第一個主要設計選擇。在初步合併提案之後，下行鏈路的候選方案是正交分頻多重進接(OFDMA)和多載波WCDMA。而上行鏈路的候選方案是單載波分頻多重進接(SC-FDMA)、OFDMA和多載波WCDMA。多址方案選擇於2005年12月進行，下行鏈路選擇OFDMA，上行鏈路選擇SC-FDMA。這兩種方案都開放了頻域作為系統靈活性的新維度，如圖1.4所示。

OFDMA擴充套件了OFDM的多載波技術，提供了一種非常靈活的多址方案。OFDM將可用於訊號傳輸的頻寬細分為多個相互正交的窄帶子載波，這些子載波可以單獨地或分組地承載獨立的資訊流；在OFDMA中，可用頻寬的這一細分被利用在多個使用者之間共享子載波。由此產生的靈活性可以以各種方式使用：①在不改變基本系統引數或裝置設計的情況下，可以使用不同的頻譜頻寬； ②可變頻寬傳輸資源可以分配給不同使用者，在頻域上自由排程；③便於頻率複用和小區間干擾協調。

近年來，通過部署數字音訊和視訊廣播系統（如DAB、DVB和DMB）獲得了廣泛的OFDM技術經驗。其包括：由於將寬頻傳輸訊號細分為多個窄帶子載波，因此對時間分散的無線通道具有魯棒性，使得符號間干擾在每個符號開始處的保護間隔內受到很大限制；利用頻域均衡技術實現低複雜度的接收機；廣播網路中多個發射機的訊號簡單合併。這些優點以及它們是如何從OFDM訊號設計中產生的，在第5章中詳細說明。相比之下，OFDM的發射機設計成本更高，因為OFDM訊號的峰均功率比（PAPR）相對較高。導致需要高線性RF功率放大器。然而，這種限制與將OFDM用於下行傳輸並不矛盾，因為低成本實現對於基站具有比對於移動終端更低的優先順序。然而，在上行鏈路上，移動終端的發射機難以容忍OFDM的高PAPR，因為需要在良好的室外覆蓋所需的輸出功率、功耗和功率放大器的成本之間進行折衷。第14章詳細解釋的SCFDMA提供了一種多址技術，它與OFDMA具有許多共同之處，特別是頻域上的靈活性在每個發射符號的開始處引入保護間隔，以便於接收機處的低複雜度頻域均衡。同時，SC-FDMA的PAPR明顯降低。因此，它在一定程度上解決了上行鏈路如何能夠從多載波技術的優勢中受益，同時避免移動終端發射機的過度成本，並保持上行鏈路和下行鏈路技術之間合理程度的共性這一難題。在版本10中，上行多址方案被擴充套件為允許頻域上的多個子載波簇，如第28.3.6節所述。

1.3.2 多天線技術

多天線技術的使用使得空間域成為另一個新的維度。這在追求更高的頻譜效率中變得至關重要。如第11章中詳述的，在使用多根天線時，至少在合適的無線電傳播環境中，理論上可實現的頻譜效率隨所用發射和接收天線的最小數量線性擴充套件。多天線技術為各種特性打開了大門，但並不是所有特性都很容易在實際系統中實現它們的理論承諾。多天線可以以多種方式使用，主要基於以下三個基本原理，如圖1.5所示：

• 分集增益。利用多天線提供的空間分集，提高傳輸抗多徑衰落的魯棒性。
• 陣列增益。通過預編碼或波束成形在一個或多個給定方向上的能量集中。這也允許同時為位於不同方向的多個使用者服務（所謂的多使用者MIMO）。
• 空間複用增益。在由可用天線組合建立的多個空間層上向單個使用者傳輸多個訊號流。

因此，LTE研究專案階段的大部分時間專門用於選擇和設計LTE第一個版本包含的各種多天線特性。最後的系統包括幾個互補的選擇，允許適應根據網路部署和不同使用者的傳播條件。

1.3.3 分組交換無線介面

如前所述，LTE被設計成完全面向分組的多業務系統，而不再依賴於前代普遍存在的電路交換面向連線的協議。在LTE中，這種原理應用於協議棧的各個層。HSDPA已經打開了無線介面上快速分組排程的路線，它允許短分組的傳送，其持續時間與快衰落通道的相干時間相同，如圖1.6所示。

這就需要鏈路層協議根據當前傳播條件聯合優化物理層配置和資源管理。HSDPA的這一方面涉及協議棧的下兩個層MAC （介質訪問控制層）和物理層之間的緊耦合。在HSDPA中，這種耦合已經包括了快速通道狀態反饋、動態鏈路自適應、利用多使用者分集的排程和快速重傳協議等特性。在LTE中，為了提高系統時延，分組時長從HSDPA中使用的2ms進一步減少到僅1ms。這種短的傳輸間隔，加上新的頻率和空間維度，進一步擴充套件了MAC層和物理層之間的跨層技術領域，以包括LTE中的以下技術：

• 頻率和空間維度的自適應排程；
• MIMO配置的自適應，包括選擇同時傳輸的空間層數；
• 調製和位元速率的鏈路自適應，包括傳輸的碼字數；
• 快速通道狀態報告的幾種模式。

這些不同級別的優化與非常複雜的控制訊號相結合。

1.3.4 使用者裝置能力

在實踐中，重要的是要認識到UE的市場是巨大的和多樣化的，因此LTE需要支援具有不同能力的UE類別以滿足不同細分市場。一般來說，每個細分市場在峰值速率、終端大小、成本和電池續航時間等方面都給予了不同的優先順序。一些典型的權衡包括：

• 支援最高資料速率是某些應用程式成功的關鍵，但通常需要大量的記憶體來處理資料，這會增加UE的成本。
• 可能嵌入在膝上型電腦等大型裝置中的UE通常在可接受的功耗或可使用的天線數量方面沒有受到很大限制；另一方面其他細分市場需要超薄的手持終端，其空間較小，可以容納多個天線或大型電池。

支援的UE類別範圍越廣，UE支援的功能與特定市場需求之間的匹配就越接近。然而，對於大量UE類別的支援也有缺點，即每個UE向網路通知其所支援的功能所需的信令開銷，以及由於規模經濟損失和測試許多不同配置的互操作性複雜度增加而增加的成本。因此，LTE的第一個版本旨在支援五類終端，從具有相似能力的相對低成本終端到UMTS HSPA，到儘可能利用LTE技術的非常高能力的終端。R8的5種UE類別彙總如下表1.2。

可以看出，最高等級的Release 8 LTE UE的峰值速率能力遠遠超過LTE Release 8目標。36.306中詳細說明了其他UE類別，第10版中介紹了這些類別，第27.5節對此進行了解釋。LTE規範故意避免為UE提供大量可選特性，更傾向於採取一種方法，即如果某個特性足夠有用，值得包含在規範中，那麼該特性應該被強制支援。然而，36.306中列出了非常少量的可選Release 8特性，每個UE通過特定信令指示其支援；這些特性稱為UE能力。後續版本增加一些UE能力。此外，人們認識到，對於LTE的早期部署，並非總是能夠同時完成每個必備特性的一致性測試和互操作性測試(Inter-Opability Test,IOT)。因此，根據各特性提前部署的可能性，優先開發LTE的一致性測試用例。相應地，FGI (Feature Group Indicator)用於某些低優先順序必選特性組指示，使UE能夠指示這些特性的IOT是否成功完成；每個FGI對應的特性分組見36.331的Annex B.1。對於R9及以後版本的UE，對於這些FGI中的某些，必須設定以指示相應的特徵已經實現併成功測試。

1.3.5 從個LTE版本到ITE―Advanced

由於在3GPP協議中，有比以往任何時候都多的投稿公司積極活動，截至2007年12月，LTE第一個版本（Release 8）的規範已達到足夠的完整性，使得LTE能夠作為IMT的成員提交給ITU-R。因此，它能夠在IMT指定的頻譜上部署，並於2009年底在北歐推出了首批商用部署。同時，3GPP也在不斷完善LTE系統，並不斷髮展LTE系統，以應對新的市場。在本節中，我們將概述在第二個LTE版本（R9）中引入的新特性，以及由LTE版本10提供的新特性，這將開始下一個重要的步驟，即LTE-Advanced。提高LTE對不同市場和部署的適用性是第9版的第一個目標。北美是一個具有特定監管要求的重要市場。因此，LTE Release 9對PWS (Public Warning System)和一些精確定位方法（參見第19章），其中一種定位方法使用OTDOA原理，通過在LTE下行傳輸中插入專門設計的新參考訊號來支援。從不同基站接收的這些定位參考訊號的測量允許UE非常精確地計算其位置，即使在諸如GPS之類的其他定位手段失效的位置（例如。室內）。也支援基於Cell-ID的增強技術。R9還引入了基於單頻網型別傳輸的廣播模式（參見第13章）。R9進一步發展了MIMO傳輸模式，擴充套件了R8波束賦形模式，以支援兩個正交的空間層，可以傳輸給一個使用者或多個使用者如第11.2.2.3節所述。該模式的設計是向前相容的，可以擴充套件到Release 10中的兩個以上的空間層，R9還針對特定的部署，特別是低功率節點（參見第24章），對pico基站和家庭基站提出了新的要求。除了對CSG (Closed Subscriber Groups)的支援外，R9版本對網路自優化的支援也有增強，如第25章1.3.5.1 LTE-Advanced LTE的下一個版本，R10版本，發展LTE到LTE-Advanced。雖然LTE版本8和9已經在很大程度上滿足了ITU-R對IMT-Advanced名稱的要求（參見第27.1）， R10將完全滿足這些要求，甚至在3GPP規定的效能目標比ITU-R更高的幾個方面超越這些要求。第27章詳細討論了LTE-Advanced的需求。與IMT-Advanced需求的實現直接相關的R10主要特性有：

• 載波聚合。允許總傳輸頻寬增加至100 MHz （見第28章）;
• 峰值頻譜效率大於7.5 bps/Hz且目標為15 bps/Hz的上行MIMO傳輸（見第29章）；
• 下行MIMO增強。峰值頻譜效率達到30 bps/Hz（參見第29章）

R10版本除了滿足IMT-Advanced的要求外，還提供了一些新特性來增強LTE的部署。例如支援中繼（參見第30章）、增強的小區間干擾協調（參見第31章）以及通過支援來自終端的擴充套件測量報告來最小化路測需求的機制（參見第25章和31章）。

1.4 從理論到實踐

隨著LTE的商用部署，支撐LTE規範的理論理解和技術的進步正在被實際運用。本書的主要目的是闡明從潛在的學術進步到實現行動通訊服務提供中有益的進步的過渡。特別關注無線接入網（RAN）的物理層，因為在這裡，許多最引人注目的技術進步都得到了體現。這應該使讀者能夠了解LTE系統中技術選擇的背景，從而更好地理解LTE規範以及如何實現這些規範。